Что касается КП и ООП, то их объем много меньше, чем объем ДП. Предположим, продолжительность ООП составляет несколько часов и в течение этого периода в ней хранятся все сто процентов воспринятой информации, тогда информационная емкость этой формы памяти составит ~3-Ю5 бит, что в десять тысяч раз меньше рассчитанных возможностей мозга.
Так обстоит дело с возможностью хранения информации в виде фиксированных межнейронных связей. Попытаемся теперь ответить на вопрос, возможно ли запасание информации в структуре макромолекул с точки зрения их информационной емкости. Сопоставим данные о количестве информации, которую мозг человека может накапливать в течение жизни, с информационной емкостью линейных полимеров, используемых системами генетической памяти.
Четыре вида нуклеотидов могут образовывать 43 = 64 варианта триплетов. Информация, содержащаяся в одном триплете, следовательно, должна была бы составить log264 = 6 бит. На самом деле, поскольку код вырожден и некоторым триплетам соответствуют одни и те же аминокислоты, информация, содержащаяся в триплете, оказывается меньше и составляет приблизительно 4 бит. Информационное содержание одного аминокислотного остатка в полипептиде, казалось бы, должно быть таким же, как в триплете, но на самом деле оно оказывается меньше из-за различной частоты встречаемости аминокислот и при вычислении по формуле Шеннона составляет примерно 2 бит.
Следовательно, при информационном содержании памяти 109 бит для хранения этой информации требуется 2,5-Ю11 Д информационной РНК, около 5-10й Д ДНК и около 5 1010 Д белка. Согласно данным Хидена, в цитоплазме большого нейрона содержится 650 пг, а в ядре -- 30 пг РНК, что равно, соответственно, 4-Ю14 и 1,8-1013 Д. В других нейронах содержание РНК меньше, но все равно оно колеблется около Ю13 Д. Это в несколько сот раз больше, чем требуется для обеспечения ДП.
Количество ДНК в нейронах уступает содержанию РНК. ДНК находится в основном в ядрах и составляет там -6-Ю12 Д, но и эта величина оказывается приблизительно в десять раз больше величины, требуемой для обеспечения памяти. Другими словами, десятой доли количества ДНК или сотой доли РНК, содержащейся в нейроне, достаточно для хранения нейрологической памяти, которую человек фиксирует в течение жизни.
Доля белка, содержащегося в нейронах, необходимая для фиксации энграммы, оказывается еще меньше.
Итак, биополимеров одного нейрона с избытком достаточно для обеспечения как ограниченной во времени, так и долговременной памяти мозга. Более того, количество ДНК в хромосомах нейрона таково, что, следуя цепи рассуждений, можно дойти до предположений о генетической передаче какой-то доли приобретенной нейрологической информации. Однако такое утверждение противоречит экспериментальным данным и теоретическим представлениям современной генетики.
Приведенные расчеты следует оценивать лишь как доказательство заведомой, колоссальной избыточности информационной емкости макромолекул клеток мозга. Очевидно также, что только из оценок информационной емкости макромолекул не вытекает необходимость существования в мозге огромного количества нервных клеток. Иначе говоря, только с точки зрения количества информации нельзя сделать выбор между гипотезой о том, что память основана на межнейронных взаимодействиях, и гипотезой о непосредственном хранении памяти в биополимерах.
Не решает однозначно вопроса о способе хранения энграммы и тот факт, что ингибиторы синтеза ДНК не подавляют ни фиксацию, ни хранения следа в ДП. Если считать, что в ДП в течение суток включается около 2104 бит информации, то это составит примерно 107 Д вновь синтезируемой ДНК, т.е. всего миллионную долю ДНК, содержащейся в одной нервной клетке. Даже если допустить, что при запоминании синтезируются десятки идентичных молекул ДНК, то и в этом случае такую долю можно не уловить существующими аналитическими методами и не отметить нарушения запоминания такими ингибиторами, как, например, цитозинарабинозид, степень торможения синтеза ДНК которым составляет не намного более 95%.
Таким образом, вопрос о механизме хранения энграммы приходится решать другими методами. Результаты исследований в настоящее время все в большей степени свидетельствуют о предпочтительности гипотезы, согласно которой память хранится в виде структуры межнейронных взаимодействий.
3. Роль нейромедиаторов в регуляции памяти
Ввиду того, что процессы памяти тесно связаны с модификацией синаптических процессов, химические передатчики нервного возбуждения должны играть здесь принципиальную роль. К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал, касающийся значения нейромедиаторов в процессах памяти и обучения. Полученные результаты свидетельствуют о большой значимости основных медиаторов в этих процессах, хотя конкретные формы участия каждого медиатора, по-видимому, зависят от того, какой именно тип информации запоминается.
Так, хотя известно, что способность животных к обучению, в общем, положительно коррелирует с уровнем ацетилхолина и отрицательно -- с активностью холинэстеразы в мозге, тем не менее выработка одних навыков сопровождается активацией, а других -- снижением активности этого фермента. В большинстве случаев, однако, ацетилхолин способствует выработке условных реакций. Показано, что снижение содержания ацетилхолина в мозге ингибиторами холинацетилазы нарушает обучение, а его повышение ускоряет выработку оборонительных навыков. В ряде исследований показано, что вещества, нарушающие обмен ацетилхолина, вызывают амнезию, а фармакологическая активация ацетилхолиновых рецепторов облегчает и ускоряет обучение и стимулирует извлечение следа из памяти.
Важная роль в регуляции процессов памяти принадлежит системе биогенных аминов мозга. В детальных исследованиях Е.А.Громовой было показано, что при выработке условных реакций с отрицательным подкреплением происходит активация норадренергической системы, а при обучении с положительным подкреплением содержание норадреналина в мозге и скорость его метаболизма снижаются. Умеренная активация норадренергических процессов стимулирует выработку реакций с болевым подкреплением, но чрезмерное увеличение содержания этого медиатора в мозге приводит к нарушению выработки всех условных реакций.
Серотонин, напротив, облегчает выработку и хранение навыков, основанных на положительном подкреплении, и отрицательно влияет на формирование оборонительных реакций. По существующим представлениям норадренергическая и серотонинергическая системы являются в значительной степени антагонистами в отношении процессов памяти, и способность к выработке тех или иных навыков зависит не столько от абсолютного уровня содержания или метаболизма того или иного медиатора, сколько от соотношения активностей этих систем. Так, нарушения, вызванные увеличением содержания серотонина, могут быть компенсированы параллельной активацией норадренергической системы и наоборот. -
По мнению Е.А. Громовой, существует реципрокность серо-тонина и норадреналина в регуляции консолидации следов памяти.
Механизм их действия заключается в свойствах этих медиаторов пролонгировать многократную циркуляцию возбуждения в нейронных системах, связанных соответственно с положительным и отрицательным восприятием информации, что является необходимым для перехода нейродинамической фазы фиксации следа в фазу структурно-химических изменений.
Сведения, касающиеся участия дофамина в регуляции процессов памяти, неоднозначны. По некоторым данным, он, как и норадреналин, может стимулировать выработку условных реакций с отрицательным подкреплением. В работах Г. Маттиеса было показано, что дофамин и его агонисты при инъекции в гиппокамп ускоряют выработку условной реакции в лабиринте с болевым подкреплением. Им же было показано, что этот медиатор стимулирует включение лейцина и фукозы в белки гиппокампальных нейронов, а также снижает фосфорилирование белка В-50 и усиливает фосфорилирование фосфоинозитолди-фосфата в клетках гиппокампа. Учитывая сказанное, есть основания считать, что дофамин участвует в регуляции синаптических процессов, связанных с фиксацией следов памяти.
Роль других медиаторов в регуляции процессов памяти изучена в меньшей степени. Из числа достаточно надежно установленных фактов можно указать на роль глутаминовой кислоты, о которой было сказано в связи с гипотезой Линча и Бодри, и на многочисленные данные, свидетельствующие о выраженном угнетающем влиянии на запоминание и обучение со стороны ГАМК.
4. Нейропептиды - регуляторы памяти
С середины 60-х годов стало известно, что некоторые олигопептиды, представляющие собой молекулы из небольшого числа аминокислотных остатков, способны модифицировать процесс обучения и влиять на степень выработки, хранения и угасания приобретенных поведенческих реакций. Среди этих пептидов оказались ранее известные гормоны, их фрагменты, а также ряд других соединений, выполняющих в организме специфические регуляторные функции. Из пептидов, относящихся к числу гормонов, наиболее выраженным действием на процессы обучения и памяти обладают гормоны гипофиза -- адренокор-тикотропный и вазопрессин.
При изучении влияния АКТГ на процессы памяти было показано, что главная роль в его действии принадлежит фрагменту АКТТ4_10, который оказывает на эти процессы практически такой же эффекту как и целый гормон. Положительным влиянием на обучение обладает также и еще более короткий отрезок АХТГ4_7, хотя его действие выражено слабее, чем у АКТГ4_ J0. Более короткие фрагменты не оказывают существенного влияния на процессы обучения и памяти.
Как было выяснено, стимулирующее влияние фрагментов АКТГ на обучение не связано с собственно гормональной функцией пептида, так как фрагменты-активаторы памяти лишены такой функции. Кроме того, установлено, что эти пептиды действуют непосредственно на процессы фиксации, хранения и воспроизведения памятного следа, а не на функции, связанные с активностью и вниманием во время обучения, ибо фрагменты АКТГ оказываются эффективными при введении их либо сразу после сеанса обучения, либо перед воспроизведением приобретенного навыка.
Гормон задней доли гипофиза -- вазопрессин также обладает ярко выраженным положительным влиянием на выработку условных реакций у животных и функции, связанные с памятью у людей. Будучи введенным в чрезвычайно малых дозах, он ускоряет выработку и замедляет угашение приобретенных навыков, устраняет ретроградную амнезию, улучшает воспроизведение хранящейся в памяти информации. Стимуляция вазопрессином процессов памяти также не связана с его гормональным действием, так как такое же стимулирующее действие оказывают некоторые его аналоги и фрагменты, не вызывающие свойственных вазопрессину гормональных реакций.
Есть все основания считать, что АКТГ и вазопрессин либо их фрагменты, образующиеся в организме в результате расщепления гормонов, не только стимулируют запоминание при введении их извне, но постоянно функционируют в мозге в качестве регуляторов процессов памяти. В пользу этого утверждения свидетельствует целый ряд фактов. Во-первых, введение животным иммунной антисыворотки, специфически связывающей вазопрессин либо АКТГ4-10, приводит к значительному ухудшению их обучаемости. Во-вторых, крысы, у которых в результате мутации нарушен синтез вазопрессина, способны к обучению в значительно меньшей степени, чем животные с нормальным уровнем этого нейропептида. В-третьих, доказано, что в мозге существует обширная сеть вазопрессинергических нейронов, синаптические окончания которых особенно многочисленны в тех отделах, которые принимают активное участие в процессах, связанных с памятью и обучением.
Можно, таким образом, утверждать, что вазопрессин и АКТГ и их фрагменты являются специфическими регуляторами функций центральной нервной системы, имеющих прямое отношение к процессам фиксации, хранения и воспроизведения следов памяти. Помимо этих двух соединений существует еще несколько нейропептидов, которые можно считать относительно специфичными стимуляторами запоминания и воспроизведения энграмм.
Таблица 112. Некоторые стимуляторы запоминания и воспроизведения энграммы
Степень специфичности эффекта | Стимуляторы | ||
Общая характеристика | Вещество | ||
Относительно специфичные | Регуляторные пептиды | Вазопрессин и некоторые аналоги, дипептид pEDa, pEGa, АКТГ и некоторые аналоги. Ряд других регуляторных пептидов модулируют запоминание, но лишь в особых условиях эксперимента | |
Непептидные соединения | Пирацетам и его аналоги, некоторые ганглиозиды | ||
Агенты широкого спектра действия | Вещества, связанные с метаболизмом РНК | Оротат, метилглюкаминоротат, РНК различной полимерности и происхождения | |
Нейрости мулл торы | Фенилалкиламины, фенилалкилоиднонимины | ||
Некоторые антидепрессанты Некоторые холиномиметики и ингибиторы ацетилхолинэстеразы в ограниченном интервале доз |
Непептидные специфические стимуляторы памяти практически неизвестны. Единственным таким соединением, широко использующимся в клинике, эффект которого молило считать несомненным, является пирацетам. Интересно, что молекула пирацетама, химически родственная ГАМК, в то же время близка по конформации к некоторым пептидам, которые также существенно стимулируют запоминание и, в свою очередь, сходна по структуре с активными фрагментами вазоирессина.
Что касается других непептидных соединений, обладающих стимулирующим действием на процессы памяти, то их действие, скорее всего, является неспецифическим, осуществляемым благодаря общей активации деятельности ЦНС Достаточно активным стимулятором памяти является оротовая кислота, действие которой направлено на синтез уридиимоно-фосфата и, следовательно, на образование РНК.
Известно, что нейропептиды могут служить как самостоятельными медиаторами в синаптических окончаниях нейронов, так и кофакторами классических медиаторов, вместе с которыми они могут находиться либо в одной везикуле, либо в различных везикулах в пределах одной терминала.
Есть основания полагать, что такое сочетание группы активных веществ в пределах одной терминали является в большинстве случаев, если не во всех, необходимым для нормального функционирования синапса. Возможно, оно обеспечивает способность пресинаптического аппарата регулировать уровень освобождения медиатора и чувствительность к приходящим стимулам.
Известно, что нейропептиды-спутники способны значительно повышать сродство рецептора к основному медиатору. Например, вазоактивный интестинальный пептид увеличивает сродство ацетилхолиновых рецепторов к ацетилхолину более чем в десять тысяч раз. Это свойство пептидов может иметь большое значение, так как они, как правило, гораздо стабильнее, чем непептидные медиаторы. Если период полураспада у последних колеблется от нескольких долей секунды до минуты, то для многих пептидов он может составлять несколько минут и более. В результате создаются условия для того, чтобы проводимость синапса увеличивалась на время, значительно превышающее продолжительность КПМ.
Выделяющиеся в синаптических окончаниях пептиды способны влиять на описанные выше нейрохимические реакции в нейронах, которые могут быть связаны с консолидацией следов памяти. Установлено, что АКТГ, взаимодействуя с постсинаптическими рецепторами, увеличивает образование внутриклеточной цАМФ. Результатом этого может быть подавление фосфорилирования упоминавшегося синаптосомального белка В-50. Следующим звеном в цепи возникающих реакций будет являться снижение уровня фосфорилирования фосфоинозитидов, уменьшение отрицательного заряда мембраны и изменение состояния ионных каналов. Известно, что вазопрессин также оказывает влияние на уровень фосфорилирования белка В-50. Следовательно, кроме кратковременных эффектов нейропептидов-спутников, связанных с их действием на сродство рецепторов к основному медиатору, можно представить себе их более длительное действие на поляризацию других, более отдаленно расположенных мембран и на синаптическую проводимость.
Действие нейропептидов на постсинаптические рецепторы не обязательно должно быть обусловлено их локализацией в одном синаптическом окончании с непептидными медиаторами. Возможен и такой вариант, когда в районе одного постси-наптического рецептора расположены в непосредственной близости синаптические окончания двух нейронов, один из которых выделяет классический, а другой -- пептидный медиатор. Оба медиатора реагируют с соседними участками постсинаптической мембраны таким образом, что пептид изменяет ее реакцию на выделение основного медиатора. В этом случае реакция постсинаптической клетки на этот медиатор в большой мере будет зависеть от того, пришел ли одновременно импульс или серия импульсов от пептидергического нейрона,
Изложенные предположения о роли нейропептидов в процессах нейронной пластичности и памяти не обязательно должны относиться исключительно к вазопрессину и АКТГ, т.е. тем пептидам, которые несомненно способны стимулировать память при их введении в организм. Вероятно, не все введенные пептиды могут, не разрушаясь, достигать тех клеток мозга, где они способны оказать свое действие. Кроме того, в том случае, когда пептид вводят системно, т.е. внутривенно, внутрибрюшинно, подкожно или внутримышечно, его действие распространяется сразу на весь организм и специфическое влияние на процессы обучения и памяти может маскироваться другими эффектами. Вот почему количество известных нейропептидов-стимуляторов памяти, скорее всего, будет постепенно увеличиваться.
Уже сейчас выявлены соединения, обладающие неизвестной ранее для них способностью стимулировать процессы запоминания и воспроизведения энграмм. Кроме того, установлено, что некоторые фрагменты и искусственно синтезированные аналоги природных пептидов часто обладают более выраженным действием, чем сами соединения, обнаруживаемые в организме. Так, выяснилось, что аналог АКТТ4_7 -- MEHFKF обладает активностью, в тысячу раз превышающей активность самого АКТГ. Получен также аналог АКТГ4_7, образующийся присоединением к нему трех природных аминокислот, -- MEHFPGP, который по активности не уступает исходному пептиду, но обладает значительно более продолжительным действием. Такое увеличение активности или пролонгирование эффекта объясняется тем, что присоединение дополнительных аминокислотных остатков к молекуле пептида или замена их внутри этой молекулы делает ее более устойчивой к метаболической деградации, в результате чего нейропептид достигает клеток-мишеней в больших концентрациях, чем это имеет место при введении природного соединения.
